[论文解读] Cosmological perturbations in the interacting dark sector: Observational constraints and predictions

Joseph P. Johnson, Archana Sangwan+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用 5

一句话总结

本文提出了一种暗能量与暗物质的相互作用场论模型，其对四组宇宙学数据（哈勃参数、BAO、Ia型超新星和HIIG）的拟合效果优于非相互作用模型。该模型将哈勃张力缓解，得出最优拟合的H₀ = 69.9⁺⁰.⁴⁶₋₁.⁰² km s⁻¹ Mpc⁻¹，并预测在z < 20时度规扰动存在显著差异，尤其在z < 5时更为明显，为未来空间任务提供了可检验的特征信号。

ABSTRACT

We consider an interacting field theory model that describes the interaction between dark energy - dark matter interaction. Only for a specific interaction term, this interacting field theory description has an equivalent interacting fluid description. For inverse power law potentials and linear interaction function, we show that the interacting dark sector model is consistent with $ extit{four cosmological data sets}$ -- Hubble parameter measurements (Hz), Baryonic Acoustic Oscillation data (BAO), Supernova Type Ia data (SN), and High redshift HII galaxy measurements (HIIG). More specifically, these data sets prefer a negative value of interaction strength in the dark sector and lead to the best-fit value of Hubble constant $H_0 = 69.9^{0.46}_{1.02}$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$. Thus, the interacting field theory model $ extit{alleviates the Hubble tension}$ between Planck and these four cosmological probes. Having established that this interacting field theory model is consistent with cosmological observations, we obtain quantifying tools to distinguish between the interacting and non-interacting dark sector scenarios. We focus on the variation of the scalar metric perturbed quantities as a function of redshift related to structure formation, weak gravitational lensing, and the integrated Sachs-Wolfe effect. We show that the difference in the evolution becomes significant for $z < 20$, for all length scales, and the difference peaks at smaller redshift values $z < 5$. We then discuss the implications of our results for the upcoming missions.

研究动机与目标

• 开发一种与当前宇宙学观测一致的暗能量与暗物质相互作用场论模型。
• 检验该模型是否能解决普朗克卫星与晚期宇宙观测之间存在的哈勃张力问题。
• 识别相互作用与非相互作用暗能量-暗物质场景中标量度规扰动的可观测差异。
• 为未来实验（尤其是结构形成与弱引力透镜）提供可量化的预测。
• 利用四组独立的宇宙学数据集评估该相互作用场论模型的可行性。

提出的方法

• 构建一个具有反幂律势和暗能量与暗物质场之间线性相互作用项的相互作用场论模型。
• 仅对特定相互作用项推导等效流体描述，以实现与标准宇宙学框架的比较。
• 利用宇宙学数据集（H(z)、BAO、SN Ia和HIIG）通过似然分析约束模型参数。
• 计算该相互作用模型在不同红移下的标量度规扰动演化，重点关注结构形成与弱引力透镜效应。
• 将相互作用模型中的扰动演化与非相互作用情形进行比较，以识别可观测差异。
• 分析扰动差异的红移依赖性，识别出在z < 5时达到峰值敏感性，且在z < 20时存在显著偏离。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在一种暗能量-暗物质相互作用场论模型，能够一致地解释哈勃参数、BAO、Ia型超新星和HIIG数据？
• RQ2 与标准ΛCDM模型相比，该相互作用暗能量-暗物质模型是否能缓解哈勃张力？
• RQ3 在哪些红移下，相互作用模型中的度规扰动与非相互作用情形存在显著偏离？
• RQ4 在弱引力透镜和萨克斯-沃尔夫积分效应中，相互作用暗能量-暗物质模型的可观测特征是什么？
• RQ5 未来任务如何基于扰动演化差异来区分相互作用与非相互作用的暗能量-暗物质场景？

主要发现

• 该相互作用场论模型与四组宇宙学数据（H(z)、BAO、SN Ia和HIIG）一致。
• 数据偏好负的相互作用强度，导致最优拟合的哈勃常数为H₀ = 69.9⁺⁰.⁴⁶₋₁.⁰² km s⁻¹ Mpc⁻¹，从而缓解了哈勃张力。
• 在所有尺度上，相互作用与非相互作用模型之间的标量度规扰动在z < 20时出现显著差异。
• 扰动演化差异最大的红移区间为z < 5，使其成为未来观测检验的关键目标。
• 该模型为结构形成、弱引力透镜和萨克斯-沃尔夫积分效应提供了可量化的预测，有助于未来区分相互作用与非相互作用的暗能量-暗物质场景。
• 结果表明，未来宇宙学任务可通过测量z < 20红移区间（尤其是z < 5附近）的扰动演化来检验该模型。